DE102016116630A1 - Method of operating an inverter and inverter - Google Patents
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Abstract
Ein Verfahren zum Betrieb eines transformatorlosen Wechselrichters (1) mit einer ersten Halbbrücke (HB1) und einer zweiten Halbbrücke (HB2), die parallel zueinander und zu einem Zwischenkreis (DCL) zwischen DC-Anschlüssen (2, 3) des Wechselrichters (1) angeordnet sind und deren Brückenausgang (Br1, Br2) jeweils über eine Filterdrossel (L1, L2) mit einem der entsprechenden Halbbrücke (HB1, HB2) zugeordneten AC-Ausgang (AC1, AC2) des Wechselrichters (1) verbunden ist, wobei die AC-Ausgänge (AC1, AC2) mit einem Netz (5) verbunden sind, und wobei zwischen den AC-Ausgängen (AC1, AC2) ein niederimpedant mit dem Zwischenkreis (DCL) gekoppeltes Netzwerk (4) von Filterkondensatoren angeordnet ist, umfasst ein Betreiben der beiden Halbbrücken (HB1, HB2) des Wechselrichters (1) mit einem unipolaren Taktverfahren und ein- Bestimmen eines Wertes eines netzfrequenten Ableitstroms an den DC-Anschlüssen (2, 3) des Wechselrichters (1). Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes durch den Ableitstromwert die beiden Halbbrücken (HB1, HB2) des Wechselrichters (1) mit einem ableitstromreduzierenden Taktverfahren betrieben werden, in dem die erste Halbbrücke (HB1) eine Wechselspannung an dem ihr zugeordneten AC-Ausgang (AC1) bereitstellt, wobei eine Amplitude der Wechselspannung weniger als 50% der Amplitude einer Spannungsamplitude des Netzes (5) beträgt und die zweite Halbbrücke (HB2) eine Differenzspannung zwischen der Netzspannung und der von der ersten Halbbrücke (HB1) bereitgestellten Spannung an dem ihr zugeordneten AC-Ausgang (AC2) bereitstellt. Ein zur Durchführung des Verfahrens eingerichteter Wechselrichter ist ebenfalls beschrieben.A method for operating a transformerless inverter (1) having a first half-bridge (HB1) and a second half-bridge (HB2) arranged parallel to each other and to a DC link (DCL) between DC terminals (2, 3) of the inverter (1) are and whose bridge output (Br1, Br2) in each case via a filter choke (L1, L2) with one of the corresponding half-bridge (HB1, HB2) associated AC output (AC1, AC2) of the inverter (1) is connected, wherein the AC outputs (AC1, AC2) are connected to a network (5), and wherein between the AC outputs (AC1, AC2) is arranged a low-impedance coupled to the intermediate circuit (DCL) network (4) of filter capacitors, comprises operating the two half-bridges (HB1, HB2) of the inverter (1) with a unipolar clocking method and determining a value of a mains frequency leakage current at the DC terminals (2, 3) of the inverter (1). The method is characterized in that, when a limit value is exceeded by the leakage current value, the two half-bridges (HB1, HB2) of the inverter (1) are operated with a leakage-current-reducing clocking method in which the first half-bridge (HB1) generates an AC voltage at its assigned AC- Output (AC1), wherein an amplitude of the AC voltage is less than 50% of the amplitude of a voltage amplitude of the network (5) and the second half-bridge (HB2) a differential voltage between the mains voltage and the voltage provided by the first half-bridge (HB1) at the their assigned AC output (AC2). An inverter configured to carry out the method is also described.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Wechselrichters, sowie einen Wechselrichter.The invention relates to a method for operating an inverter, as well as an inverter.
Wechselrichter werden in photovoltaischen (PV-)Anlagen zur Umwandlung von als Gleichstrom von Solarmodulen bereitgestellter Leistung in Wechselstrom eingesetzt, um diese in ein Netz einspeisen zu können. Typischerweise wird die von einer Vielzahl von Solarmodulen gemeinsam erzeugte Leistung durch einen Wechselrichter in Wechselspannung umgewandelt, wobei transformatorlose Wechselrichter eine besonders effiziente Umwandlung erlauben. Insbesondere einphasig einspeisende transformatorlose Wechselrichter mit Vollbrückentopologie erlauben während des Betriebs der Regel keine Erdung der Solarmodule, weil sich der Potentialbezug gegenüber Erdpotential mit der Netzfrequenz ändert. Diese netzfrequente Potentialänderung führt in Verbindung mit konstruktionsbedingten Ableitkapazitäten an den Solarmodulen zu Ableitströmen, deren Amplitude zum Beispiel bei Regen erhöhte Werte annehmen kann. PV-Anlagen weisen aus Gründen der Betriebssicherheit Differenzstromsensoren auf. Da sich der Ableitstrom mit dem Fehlerstrom der Anlage überlagert und zu einem durch die Differenzstromsensoren gemessenen Fehlerstromwert beiträgt, kann ein erhöhter Ableitstrom zu einer frühzeitigen Auslösung von auf Fehlerstrommessungen beruhenden Schutzmechanismen führen, wodurch sich die PV-Anlage selbstständig abschaltet, obwohl ein sicherer Betrieb weiterhin möglich wäre.Inverters are used in photovoltaic (PV) plants to convert DC power from solar modules into AC power for feeding them into a grid. Typically, the power co-generated by a plurality of solar modules is converted to AC by an inverter, with transformerless inverters allowing for particularly efficient conversion. In particular, single-phase feeding transformerless inverter with full bridge topology allow during operation usually no grounding of the solar modules, because the potential reference to ground potential changes with the grid frequency. This network-frequency potential change, in conjunction with design-related discharge capacitances on the solar modules, leads to leakage currents whose amplitude can assume increased values, for example in the case of rain. PV systems have differential current sensors for reasons of operational safety. Since the leakage current superimposed on the fault current of the system and contributes to a measured by the differential current sensors residual current, an increased leakage current can lead to an early triggering based on fault current measurements protection mechanisms, which automatically shuts off the PV system, although safe operation is still possible would.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen transformatorlosen Vollbrückenwechselrichter aufzuzeigen, das einer Erhöhung des Ableitstromes entgegenwirkt. Entsprechend soll ein Wechselrichter aufgezeigt werden, der bei der Bestimmung von Fehlerströmen unempfindlicher gegenüber dem Einfluss einer hohen Ableitkapazität ist.It is therefore an object of the present invention to provide an operating method for a transformerless full bridge inverter, which counteracts an increase in the leakage current. Accordingly, an inverter is to be shown, which is less sensitive to the influence of a high leakage capacity in the determination of fault currents.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Die auf diesen Anspruch zurückbezogenen abhängigen Verfahrensansprüche zeigen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung auf. Weiterhin wird die Aufgabe durch einen Wechselrichter des nebengeordneten Vorrichtungsanspruchs 11 gelöst, wobei die auf diesen Anspruch zurückbezogenen abhängigen Vorrichtungsansprüche weitere Ausführungsformen der Erfindung darstellen.This object is achieved by the method of independent claim 1. The dependent method claims referring back to this claim show preferred embodiments of the invention. Furthermore, the object is achieved by an inverter of the independent device claim 11, whereby the dependent device claims referring back to this claim represent further embodiments of the invention.
Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines transformatorlosen Vollbrücken-Wechselrichters mit einer ersten Halbbrücke und einer zweiten Halbbrücke, die parallel zueinander und zu einem Zwischenkreis zwischen DC-Anschlüssen des Wechselrichters angeordnet sind und deren Brückenausgang jeweils über eine Filterdrossel mit einem der entsprechenden Halbbrücke zugeordneten AC-Ausgang des Wechselrichters verbunden ist, wobei die AC-Ausgänge mit einem Netz verbunden sind, und wobei zwischen den AC-Ausgängen ein niederimpedant mit dem Zwischenkreis gekoppeltes Netzwerk von Filterkondensatoren angeordnet ist. Das Verfahren umfasst die Schritte Betreiben der beiden Halbbrücken des Wechselrichters mit einem unipolaren ersten Taktverfahren und Bestimmen eines Wertes eines netzfrequenten Ableitstroms an den DC-Anschlüssen des Wechselrichters. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes durch den Ableitstromwert die beiden Halbbrücken des Wechselrichters mit einem ableitstromreduzierenden zweiten Taktverfahren betrieben werden, in dem die erste Halbbrücke eine Wechselspannung an dem ihr zugeordneten AC-Ausgang bereitstellt, wobei eine Amplitude der Wechselspannung weniger als 50% der Amplitude einer Spannungsamplitude des Netzes beträgt und die zweite Halbbrücke eine Differenzspannung zwischen der Netzspannung und der von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Spannung an dem ihr zugeordneten AC-Ausgang bereitstellt. Das unipolare Taktverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Wechselrichter während eines Zeitraums, dessen Dauer der Dauer einer Netzhalbwelle entspricht, so betrieben wird, dass nur eine der Halbbrücken getaktet wird.One aspect of the invention relates to a method for operating a transformerless full-bridge inverter having a first half-bridge and a second half-bridge, which are arranged parallel to each other and to a DC link between DC terminals of the inverter and the bridge output in each case via a filter choke with one of the corresponding half-bridge associated with the AC output of the inverter, wherein the AC outputs are connected to a network, and wherein between the AC outputs a low-impedance coupled to the intermediate circuit network of filter capacitors is arranged. The method comprises the steps of operating the two half-bridges of the inverter with a unipolar first clocking method and determining a value of a line-frequency leakage current at the DC connections of the inverter. The method is characterized in that, when a limit value is exceeded by the leakage current value, the two half bridges of the inverter are operated with a second phase current derating current, in which the first half bridge provides an AC voltage at its associated AC output, wherein an amplitude of the AC voltage less than 50% of the amplitude of a voltage amplitude of the network and the second half-bridge provides a differential voltage between the mains voltage and the voltage provided by the first half-bridge voltage at its associated AC output. The unipolar clock method is characterized in that the inverter during a period whose duration corresponds to the duration of a line half-wave, is operated so that only one of the half-bridges is clocked.
Bevorzugt sind die von den Halbbrücken bereitgestellten Wechselspannungen jeweils Sinusspannungen, es sind jedoch auch beliebige andere Spannungsverläufe denkbar, bei denen die Kombination der von der ersten Halbbrücke und der zweiten Halbbrücke bereitgestellten Spannungsverläufe dem Spannungsverlauf der Netzspannung entspricht.Preferably, the alternating voltages provided by the half-bridges are sinusoidal voltages, but any other voltage curves are conceivable in which the combination of the voltage curves provided by the first half-bridge and the second half-bridge corresponds to the voltage profile of the mains voltage.
Vorteilhafterweise wird die Amplitude der von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Wechselspannung in Abhängigkeit des Ableitstromwertes gewählt. Bevorzugt wird die Amplitude der von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Wechselspannung umso geringer gewählt, je höher der Ableitstromwert ist. Hierdurch ergibt sich eine entsprechende Verringerung der Amplitude der Potenzialschwankung an den Anschlüssen eines mit dem Wechselrichter verbundenen Generators, so dass einer Erhöhung des Ableitstromwertes entgegengewirkt wird oder diese Erhöhung sogar gänzlich vermieden wird. In einer speziellen Ausführungsform wird die Amplitude so geregelt, dass ein Maximalwert des Ableitstroms nicht überschritten wird.Advantageously, the amplitude of the AC voltage provided by the first half-bridge is selected as a function of the leakage current value. Preferably, the amplitude of the alternating voltage provided by the first half-bridge is chosen to be lower the higher the leakage current value is. This results in a corresponding reduction in the amplitude of the potential fluctuation at the terminals of a generator connected to the inverter, so that an increase in the Ableitstromwertes is counteracted or this increase is even completely avoided. In a specific embodiment, the amplitude is controlled so that a maximum value of the leakage current is not exceeded.
Es ist von Vorteil, den der ersten Halbbrücke zugeordneten AC-Ausgang mit einem Neutralleiter des Netzes und den der zweiten Halbbrücke zugeordneten AC-Ausgang mit dem Phasenleiter zu verbinden. Dies kann zum Beispiel dadurch sichergestellt werden, dass eine Installationsvorschrift lautet, dass einer der AC-Anschlüsse mit dem Neutralleiter zu verbinden ist. Alternativ kann die Zuordnung einmalig oder regelmäßig geprüft werden, indem der Wechselrichter die Spannungen an den AC-Ausgängen gegenüber Erde misst und aufgrund dieser Messung bestimmt, welcher der beiden AC-Ausgänge mit dem Neutralleiter des Netzes verbunden ist. Die Zuordnung der im Wechselrichter vorhandenen Halbbrücken als erste Halbbrücke und zweite Halbbrücke kann dann entsprechend gewählt oder auf eine falsche Verbindung hingewiesen werden. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass der Wechselrichter bestimmt, ob durch den Wechsel vom ersten Taktverfahren zum zweiten Taktverfahren ein Anstieg oder ein Abfall des Ableitstromwertes erreicht wird und in dem Fall, dass der Ableitstromwert ansteigt, die Zuordnung der Halbbrücken des Wechselrichters als erste Halbbrücke und zweite Halbbrücke austauscht.It is advantageous for the AC output associated with the first half bridge to be connected to a neutral conductor of the network and to the AC output assigned to the second half bridge with the phase conductor connect. This can be ensured, for example, by an installation instruction that one of the AC connections is to be connected to the neutral conductor. Alternatively, the assignment can be checked once or regularly by the inverter measuring the voltages at the AC outputs to earth and, based on this measurement, determining which of the two AC outputs is connected to the neutral of the network. The assignment of the half-bridges present in the inverter as the first half-bridge and the second half-bridge can then be selected accordingly or pointed to an incorrect connection. Alternatively, however, it is also conceivable that the inverter determines whether an increase or decrease of the leakage current value is achieved by the change from the first clock method to the second clock method and in the case that the leakage current value increases, the assignment of the half bridges of the inverter as a first half-bridge and replace the second half-bridge.
Ergänzend zum Wechsel des Taktverfahrens kann der Wechselrichter bei Überschreiten des Grenzwertes durch den Ableitstromwert weiterhin eine an den DC-Anschlüssen anliegende Gleichspannung durch Ansteuern eines eingangsseitigen DC/DC-Wandlers erhöhen. Der DC/DC-Wandler kann hierbei als Hochsetzsteller oder als Tiefsetzsteller wirken und insbesondere die angeschlossenen Solarmodule trotz geänderter Gleichspannung an den DC-Anschlüssen im MPP (Maximum Power Point) halten. Durch die erhöhte Gleichspannung an den DC-Anschlüssen kann mit der zweiten Halbbrücke eine höhere Teilspannung gestellt werden, sodass die erste Halbbrücke nur einen kleineren Anteil der Netzspannung stellen muss und damit weniger Ableitstrom hervorgerufen wird.In addition to the change of the clock method, the inverter can continue to increase when exceeding the limit value by the leakage current value applied to the DC terminals DC voltage by driving an input-side DC / DC converter. The DC / DC converter can in this case act as a boost converter or as a buck converter and, in particular, keep the connected solar modules despite changing the DC voltage at the DC terminals in the MPP (maximum power point). Due to the increased DC voltage at the DC terminals, a higher partial voltage can be set with the second half-bridge, so that the first half-bridge only has to set a smaller proportion of the mains voltage and thus less leakage current is caused.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Überschreiten des Grenzwertes durch den Ableitstromwert eine der Halbbrücken gesteuert betrieben und die andere der Halbbrücken geregelt betrieben. Bevorzugt wird hierbei die erste Halbbrücke gesteuert betrieben. Ein gesteuerter Betrieb kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass ein vorgegebenes Taktmuster beziehungsweise ein vorgegebener Verlauf des Tastgrades zur Ansteuerung der Halbbrücke verwendet wird, ohne dass eine an dem Brückenausgang anliegende Spannung oder ein dort fließender Strom berücksichtigt wird. In diesem Fall stellt die geregelt betriebene Halbbrücke den gewünschten Netzstrom ein.In a preferred embodiment of the method according to the invention, when the limit value is exceeded, one of the half bridges is operated in a controlled manner by the leakage current value and the other of the half bridges is operated in a controlled manner. Preferably, in this case, the first half-bridge is operated controlled. A controlled operation can be realized, for example, by using a predetermined clock pattern or a predetermined curve of the duty cycle for driving the half-bridge without taking into account a voltage present at the bridge output or a current flowing there. In this case, the regulated half-bridge sets the desired mains current.
In einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens werden die erste Halbbrücke und die zweite Halbbrücke synchron zueinander betrieben, also mit gleicher Taktfrequenz beziehungsweise mit festem Zeitbezug zwischen Schaltzeitpunkte der ersten und der zweiten. Dabei können als Schaltzeitpunkte z.B. die Einschaltzeitpunkte oder die Ausschaltzeitpunkte oder der Mittelpunkt der Einschaltdauer zweier Schalter der beiden Halbbrücken gewählt werden. Es ist aber ebenfalls denkbar, die zwei Halbbrücken unabhängig voneinander und sogar mit unterschiedlichen Taktfrequenzen zu betreiben.In an advantageous embodiment of the method, the first half-bridge and the second half-bridge are operated synchronously with each other, ie with the same clock frequency or with a fixed time reference between switching times of the first and the second. In this case, as switching times, e.g. the switch-on or the switch-off or the midpoint of the duty cycle of two switches of the two half-bridges are selected. However, it is also conceivable to operate the two half-bridges independently of each other and even with different clock frequencies.
Da ein Betrieb des Wechselrichters im zweiten Taktverfahren zu einer höheren thermischen Belastung der Schaltelemente und der Drosseln führt, ist es von Vorteil, eine maximale Wechselrichterleistung während des Betriebs mit dem zweiten Taktverfahren auf einen geringeren Wert zu begrenzen als mit dem ersten Taktverfahren. Eine stärkere Begrenzung der maximalen Wechselrichterleistung im zweiten Taktverfahren verhindert somit eine Überlastung des Wechselrichters.Since operation of the inverter in the second clocking method results in higher thermal loading of the switching elements and the reactors, it is advantageous to limit maximum inverter power to a lower value during operation with the second clocking method than with the first clocking method. A stronger limitation of the maximum inverter power in the second cycle method thus prevents overloading of the inverter.
Unter Berücksichtigung der höheren Wandlerverluste des Wechselrichters im zweiten Taktverfahren ist es von Vorteil, bei Überschreiten des Grenzwertes durch den Ableitstromwert eine Amplitude für die von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Wechselspannung zu wählen, die höchstens 30 % der Amplitude der Netzspannung beträgt, um eine Reduzierung des Ableitstromwertes zu erreichen, die die höheren Wandlerverluste des Wechselrichters im zweiten Taktverfahren ausgleichen. Insbesondere ist es von Vorteil, die Amplitude der von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Wechselspannung stufenweise zu verändern. Hierbei ist es von Vorteil, mindestens zwei Stufen im zweiten Taktverfahren vorzusehen. Alternativ ist ebenfalls denkbar, eine Amplitude für die von der zweiten Halbbrücke bereitgestellten Wechselspannung bei Überschreiten des Grenzwerts vorzugeben, insbesondere diese so groß zu wählen, wie es die anliegende Gleichspannung an den DC-Anschlüssen zulässt, beispielsweise die Hälfte dieser Gleichspannung oder einen hierzu geringfügig reduzierten Wert zu wählen. Bei sich ändernder Gleichspannung an den DC-Anschlüssen kann auch die Amplitude der von der zweiten Halbbrücke bereitgestellten Wechselspannung fortlaufend angepasst werden. Die Amplitude der von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Wechselspannung wird entsprechend angepasst, um in Summe die Amplitude der Netzspannung bereitzustellen.Taking into account the higher converter losses of the inverter in the second cycle method, it is advantageous to select an amplitude for the provided by the first half-bridge AC voltage when exceeding the limit by the leakage current value, which is at most 30% of the amplitude of the mains voltage to a reduction of the leakage current to achieve that compensate for the higher converter losses of the inverter in the second cycle. In particular, it is advantageous to change the amplitude of the AC voltage provided by the first half-bridge in stages. It is advantageous to provide at least two stages in the second cycle method. Alternatively, it is also conceivable to specify an amplitude for the alternating voltage provided by the second half-bridge when the limit value is exceeded, in particular to select it as large as the applied DC voltage at the DC connections allows, for example half of this DC voltage or a slightly reduced one Value to choose. As the DC voltage at the DC terminals changes, the amplitude of the AC voltage provided by the second half-bridge can also be continuously adjusted. The amplitude of the AC voltage provided by the first half-bridge is adjusted accordingly to provide in total the amplitude of the mains voltage.
Um den Zeitraum, in dem der Wechselrichter zur Begrenzung des Ableitstrom mit dem weniger effizienten zweiten Taktverfahren betrieben werden muss, möglichst kurz zu halten, bestimmt der Wechselrichter fortlaufend oder wiederholt während des Betriebes mit dem zweiten Taktverfahren den aktuellen Ableitstromwertes und vergleicht ihn mit einem weiteren Grenzwert, der bevorzugt in Abhängigkeit des aktuell verwendeten Amplitudenwertes der von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Wechselspannung bestimmt ist. Unterschreitet der aktuelle Ableitstromwert diesen weiteren Grenzwert, ist dies ein Zeichen, dass in das erste Taktverfahren zurück gewechselt werden kann, ohne erneut den Grenzwert zu überschreiten. Der Wechselrichter wechselt dann entweder sofort oder nach Ablauf einer vorgegebenen Zeit, in der der Ableitstromwert den weiteren Grenzwert nicht wieder überschreitet, zurück zum ersten Taktverfahren. Insbesondere wenn die von den jeweiligen Halbbrücken bereitgestellte Amplitude der Wechselspannung in Abhängigkeit von der an den DC-Anschlüssen anliegenden Gleichspannung gewählt ist, kann der weitere Grenzwert als Funktion dieser Gleichspannung bestimmt sein.In order to keep the period in which the inverter must be operated to limit the leakage current with the less efficient second clocking method as short as possible, the inverter continuously or repeatedly determines the current leakage current value during operation with the second cycle method and compares it with a further limit value which is preferably determined as a function of the currently used amplitude value of the AC voltage provided by the first half-bridge. If the current leakage current value falls below this further limit value, this is a character that can be switched back to the first cycle without exceeding the limit again. The inverter then switches back to the first cycle method either immediately or after a preset time in which the leakage current value does not exceed the further limit value. In particular, when the amplitude of the alternating voltage provided by the respective half-bridges is selected as a function of the DC voltage applied to the DC terminals, the further limit value can be determined as a function of this DC voltage.
In dem Fall, dass das zweite Taktverfahren auf einen festen Ableitstromwert regelt, würde auf das erste Taktverfahren zurückgekehrt, wenn die Amplitude der von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Wechselspannung einen Amplituden-Grenzwert überschreitet.In the event that the second clocking method governs a fixed leakage current value, the first clocking method would return to when the amplitude of the AC voltage provided by the first half-bridge exceeds an amplitude limit.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen transformatorlosen Wechselrichter, der zum Betrieb mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren beziehungsweise seinen Ausführungsformen eingerichtet ist. Hierbei kann das Netzwerk von Filterkondensatoren zwischen den AC-Anschlüssen eine Serienschaltung von zwei Filterkondensatoren umfassen, deren Mittelpunkt mit einem der DC-Anschlüsse oder mit einem Mittelpunkt eines als geteilter Zwischenkreis gestalteten Zwischenkreises verbunden ist. Weiterhin sind die Filterdrosseln des erfindungsgemäßen Wechselrichters nicht magnetisch miteinander gekoppelt.Another aspect of the invention relates to a transformerless inverter, which is adapted for operation with the method described above or its embodiments. Here, the network of filter capacitors between the AC terminals may comprise a series connection of two filter capacitors, the center of which is connected to one of the DC terminals or to a center of a DC link designed as a shared intermediate circuit. Furthermore, the filter chokes of the inverter according to the invention are not magnetically coupled together.
Die beiden Halbbrücken bilden gemeinsam, gegebenenfalls mit zusätzlichen Komponenten der Wechselrichterbrücke, insbesondere zusätzlichen Schaltern, eine H4-, eine H5-, eine H6-, eine H6Q- oder eine HERIC-Topologie. Eine Übersicht über die genannten Topologien findet sich beispielsweise im Artikel
Der erfindungsgemäße Wechselrichter kann in einer Ausführungsform nur einen Stromsensor zur Bestimmung des AC-Ausgangsstroms aufweisen, der insbesondere an dem der zweiten Halbbrücke zugeordneten AC-Ausgang angeordnet ist. Sofern während des Betriebes mit dem zweiten Taktverfahren eine der Halbbrücken gesteuert und eine der Halbbrücken geregelt betrieben wird, ist der Stromsensor bevorzugt am AC-Ausgang, der der geregelt betriebenen Halbbrücke zugeordnet ist, angeordnet.In one embodiment, the inverter according to the invention can have only one current sensor for determining the AC output current, which is arranged in particular at the AC output assigned to the second half bridge. If, during operation with the second clock method, one of the half bridges is controlled and one of the half bridges is operated in a controlled manner, the current sensor is preferably arranged at the AC output, which is assigned to the controlled half bridge.
Neben der Wechselrichterbrücke mit der ersten und der zweiten Halbbrücke kann ein erfindungsgemäßer Wechselrichter weiterhin einen DC/DC-Wandler, insbesondere einen Hochsetzsteller, aufweisen, dessen Ausgang mit den DC-Anschlüssen verbunden ist. In dieser Ausführung kann der DC/DC-Wandler dazu genutzt werden, während des Betriebes mit dem zweiten Taktverfahren eine höhere Gleichspannung an den DC-Anschlüssen bereitzustellen als während des Betriebes mit dem ersten Taktverfahren.In addition to the inverter bridge with the first and the second half-bridge, an inverter according to the invention can furthermore have a DC / DC converter, in particular a step-up converter, whose output is connected to the DC connections. In this embodiment, the DC / DC converter can be used to provide a higher DC voltage at the DC terminals during operation with the second clocking method than during operation with the first clocking method.
In einem weiteren Aspekt betrifft das anmeldungsgemäße Betriebsverfahren einen transformatorlosen Wechselrichter, bei dem die Wechselrichterbrücke in H4-Topologie mit einer ersten Halbbrücke und einer zweiten Halbbrücke, die parallel zueinander und zu einem Zwischenkreis zwischen DC-Anschlüssen des Wechselrichters angeordnet sind, ausgeführt ist. Der Brückenausgang beider Halbbrücken ist jeweils über eine Filterdrossel mit einem der entsprechenden Halbbrücke zugeordneten AC-Ausgang des Wechselrichters verbunden ist, wobei die AC-Ausgänge mit einem Netz verbunden sind. Zwischen den AC-Ausgängen ist hierbei ein niederimpedant mit dem Zwischenkreis gekoppeltes Netzwerk von Filterkondensatoren angeordnet. Das Verfahren umfasst ein Betreiben der beiden Halbbrücken des Wechselrichters mit einem ersten Taktverfahren und ein Bestimmen eines Wertes eines netzfrequenten Ableitstroms an den DC-Anschlüssen des Wechselrichters und ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes durch den Ableitstromwert die beiden Halbbrücken des Wechselrichters mit einem ableitstromreduzierenden zweiten Taktverfahren betrieben werden. In dem ersten Taktverfahren werden die Halbbrücken gemeinsam mit einem bipolaren Taktmuster betrieben, wodurch an beiden AC-Ausgängen gegenläufige Spannungsverläufe mit einer Amplitude bereitgestellt werden, die jeweils 50% der Netzspannungsamplitude beträgt. In dem ableitstromreduzierenden Taktverfahren stellt die erste Halbbrücke eine Wechselspannung an dem ihr zugeordneten AC-Ausgang bereit, die weniger als 50% einer Spannungsamplitude des Netzes, bevorzugt weniger als 30% der Netzspannungsamplitude beträgt, und die zweite Halbbrücke an dem ihr zugeordneten AC-Ausgang eine Differenzspannung zwischen der Netzspannung und der von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Spannung bereit. Hierdurch ergibt sich im ersten Taktverfahren eine Schwankung der Spannung der DC-Anschlüsse gegenüber Erdpotential von 50% der Netzspannungsamplitude und im zweiten Taktverfahren eine hierzu reduzierte Schwankung und dadurch ein reduzierter Wert des netzfrequenten Anteils des Ableitstroms. Die Amplitude der von der ersten Halbbrücke bereitgestellten Spannung wird bevorzugt in Abhängigkeit der Höhe des Ableitstromes gewählt, insbesondere so gewählt, dass der netzfrequente Anteil des Ableitstroms unterhalb eines vorgegebenen kritischen Wertes verbleibt. Bevorzugt wird diese Amplitude stufenweise verändert, wenn entsprechende Grenzwerte des netzfrequenten Anteils des Ableitstroms über- oder unterschritten werden. Die Amplitude wird hierbei bei Überschreiten entsprechender Grenzwerte erniedrigt und bei Unterschreiten erhöht.In another aspect, the operating method according to the application relates to a transformerless inverter, in which the inverter bridge in H4 topology with a first half-bridge and a second half-bridge, which are arranged parallel to each other and to a DC between DC terminals of the inverter is executed. The bridge output of both half bridges is in each case connected via a filter choke to an AC output of the inverter assigned to the corresponding half bridge, the AC outputs being connected to a network. Between the AC outputs in this case a niederimpedant coupled to the intermediate circuit network of filter capacitors is arranged. The method comprises operating the two half-bridges of the inverter with a first clock method and determining a value of a line-frequency leakage current at the DC terminals of the inverter and is further characterized in that when a limit value is exceeded by the leakage current value, the two half-bridges of the inverter with a discharge current reducing second clock method can be operated. In the first clocking method, the half-bridges are operated in common with a bipolar clock pattern, thereby providing opposing voltage waveforms at both AC outputs with an amplitude that is 50% of the mains voltage amplitude, respectively. In the leakage current reducing clocking method, the first half-bridge provides an AC voltage at its associated AC output, the less than 50% of a voltage amplitude of the network, preferably less than 30% of the mains voltage amplitude, and the second half-bridge at the associated AC output, a differential voltage between the mains voltage and the voltage provided by the first half-bridge voltage ready. This results in the first clock method, a fluctuation of the voltage of the DC terminals to earth potential of 50% of the mains voltage amplitude and the second clock this reduced fluctuation and thus a reduced value of the mains frequency portion of the leakage. The amplitude of the voltage provided by the first half-bridge is preferably selected as a function of the magnitude of the leakage current, in particular chosen such that the power-frequency proportion of the leakage current remains below a predetermined critical value. Preferably, this amplitude is changed stepwise if corresponding limit values of the power-frequency component of the leakage current are exceeded or fallen below. In this case, the amplitude is lowered when corresponding limit values are exceeded and increased when falling below it.
Dieses alternative anmeldungsgemäße Betriebsverfahren kann insbesondere in Verbindung mit gegenüber Silizium-Schaltern schneller schaltenden Halbleiterschaltern, beispielsweise aus Gallium-Nitrid, eingesetzt werden, wodurch gegenüber dem ersten Taktverfahren die Schalt- und Magnetisierungsverluste während des zweiten Taktverfahrens nicht oder nicht wesentlich erhöht sind.This alternative method of operation according to the application can be used, in particular, in conjunction with semiconductor switches which switch faster than silicon switches, for example of gallium nitride, whereby the switching and magnetization losses during the second clock method are not or not substantially increased compared to the first clock method.
Im Folgenden werden die Erfindung und einige ihrer Ausführungsvarianten mithilfe von Figuren näher erläutert, wobei In the following the invention and some of its variants are explained in more detail by means of figures, wherein
Der in
Eine erste Filterdrossel L1 verbindet den ersten Brückenausgang Br1 mit einem ersten AC-Ausgang AC1, eine zweite Filterdrossel L2 verbindet den zweiten Brückenausgang Br2 mit einem zweiten AC-Ausgang AC2. Zwischen den beiden AC-Ausgängen AC1, AC2 ist ein Netzwerk
Beide Halbbrücken HB1, HB2 werden durch ihnen zugeordnete Controller C1, C2 angesteuert. Der Controller C1 schaltet die Schalter T3, T4 der ersten Halbbrücke HB1 über Pulweitenmodulation an, der Controller C2 die Schalter T1, T2 der zweiten Halbbrücke HB2. Der von den Halbbrücken bereitgestellte Strom wird von an den Brückenausgängen Br1, Br2 angeordneten Stromsensoren CS erfasst. In dieser Ausführung kann durch eine Bestimmung der Differenz zwischen den Messwerten beider Stromsensoren CS ein Wert des Ableitstroms bestimmt werden. Der netzfrequente Ableitstrom ist hierbei der Frequenzanteil der Differenz bei der Frequenz des angeschlossenen Netzes. Alternativ kann der netzfrequente Ableitstrom auch durch weitere Sensoren auf der AC-Seite oder der DC-Seite des Wechselrichters
Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wechselrichters
Wie wohlbekannt ist, dient der zusätzliche Transistor T5 in der H5-Topologie dazu, den angeschlossenen PV-Generator PV während der Freilaufphasen vom angeschlossenen Netz
Um die Wirkungsweise der Erfindung näher zu erläutern, wird in
Hier kommt nun das zweite Taktverfahren gemäß dieser Erfindung zum Tragen, das in der Lage ist, diese Amplitude der Variation des Generatorpotentials auf einen geringeren Wert als die halbe Netzamplitude Û0/2 zu reduzieren. Die Wirkungsweise dieses zweiten Taktverfahrens wird mithilfe der in der
Hierzu zeigt
Um die asymmetrischen Spannungsverläufen an den AC-Anschlüssen AC1 und AC2 zu erreichen, werden die jeweiligen Halbbrücken HB1, HB2 unabhängig voneinander auf den Spannungsverläufen entsprechende Zielwerte der Brückenspannung geregelt. Alternativ zu einer Spannungsregelung bei der Halbbrücken HB1, HB2 kann auch nur eine Halbbrücke, vorzugsweise die erste Halbbrücke HB1, spannungsgeregelt betrieben werden, während die zweite Halbbrücke stromgeregelt betrieben wird, so dass sich ein erwünschter Netzstrom ergibt. Die Spannungsregelung kann durch eine Bestimmung der Abweichung einer gemessenen Spannung an den jeweiligen AC-Anschlüssen AC1, AC2 von den vorgegebenen Zielwerten und einer der Abweichung entsprechenden Änderung der jeweiligen Tastgrade erfolgen, mit denen die Halbbrücken HB1, HB2 betrieben werden. Es ist aber auch denkbar, eine der beiden Halbbrücken, vorzugsweise die erste Halbbrücke HB1, mit einem vordefinierten Taktmuster zu betreiben, das zumindest näherungsweise zu einem Spannungsverlauf am AC-Anschluss AC1 führt, das die gewünschte Amplitude ÛAC1MP aufweist. In diesem Fall ist es nur erforderlich, eine der beiden Halbbrücken geregelt zu betreiben.In order to achieve the asymmetric voltage curves at the AC terminals AC1 and AC2, the respective half bridges HB1, HB2 are regulated independently of one another on the voltage curves corresponding target values of the bridge voltage. As an alternative to a voltage regulation in the half-bridges HB1, HB2, only one half-bridge, preferably the first one, can also be used Half bridge HB1, voltage-controlled operation, while the second half-bridge is operated current-controlled, so that there is a desired network current. The voltage regulation can be effected by determining the deviation of a measured voltage at the respective AC connections AC1, AC2 from the predetermined target values and a change of the respective duty cycles corresponding to the deviation with which the half bridges HB1, HB2 are operated. However, it is also conceivable to operate one of the two half-bridges, preferably the first half-bridge HB1, with a predefined clock pattern which leads at least approximately to a voltage curve at the AC connection AC1 having the desired amplitude Û AC1MP . In this case, it is only necessary to operate one of the two half bridges regulated.
Der Betrieb der ersten Halbbrücke HB1 kann unabhängig vom Betrieb der zweiten Halbbrücke HB2 erfolgen, das heißt insbesondere auch mit einer abweichenden Frequenz. In diesem Fall besteht keine zeitliche Korrelation zwischen den Schaltzeitpunkten der Brückenschalter der beiden Halbbrücken. Es ist aber ebenso gut möglich, beide Halbbrücken mit gleicher Taktfrequenz und insbesondere synchron zueinander zu betreiben, zum Beispiel indem die Mittelpunkte der Einschaltperioden der ersten und der zweiten Halbbrücke synchronisiert sind.The operation of the first half-bridge HB1 can be carried out independently of the operation of the second half-bridge HB2, ie in particular also with a different frequency. In this case there is no temporal correlation between the switching times of the bridge switches of the two half-bridges. However, it is equally possible to operate both half-bridges with the same clock frequency and in particular synchronously with one another, for example by synchronizing the midpoints of the switch-on periods of the first and the second half-bridges.
Um die asymmetrischen Spannungsverläufe an den AC-Anschlüssen AC 1 und AC 2 bereitzustellen, müssen beide Halbbrücken ständig getaktet werden, das heißt während beider Halbwellen werden abwechselnd beide Schalter der Halbbrücke geschlossen, so dass an dem Brückenausgang dieser Halbbrücke phasenweise sowohl die positiven als auch die negative Spannung der DC-Anschlüsse
Die im zweiten, ableitstromreduzierenden Taktverfahren erforderliche Mindestspannung UDCmin des Generators wird durch die Amplitude ÛAC2MP am zweiten AC-Anschluss AC2 bestimmt und beträgt das Doppelte dieses Wertes. Dieser Wert liegt höher als die erforderliche Mindestspannung UDCmin des Generators, wenn der Wechselrichter
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wechselrichter inverter
- 2, 32, 3
- DC-Anschluss DC connection
- 44
- Netzwerk network
- 55
- Netz network
- 66
- Verbindung connection
- 77
- Ableitkapazität leakage capacitance
- AC1, AC2AC1, AC2
- AC-Ausgang AC output
- Br1, Br2Br1, Br2
- Brückenausgang bridge output
- T1–T5T1-T5
- Schalter switch
- HB1, HB2HB1, HB2
- Halbbrücke half bridge
- C1, C2C1, C2
- Controller controller
- DCLDCL
- Zwischenkreis DC
- BCBC
- DC/DC-Wandler DC / DC converter
- PVPV
- PV-Generator PV generator
- L1, L2L1, L2
- Filterdrossel filter inductor
- CSCS
- Stromsensor current sensor
- GNDGND
- Erdpotential ground
- NN
- Neutralleiter neutral
- LL
- Phasenleiter phase conductor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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